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Circuitos Digitales
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Introducción Los circuitos digitales y computadoras
digitales funcionan con señales de voltajes. Solo pueden ser de dos tipos:
5V, nivel lógico 1, rango de +2 a +5 (HIGH) 0V, nivel lógico 0, rango de 0 a +0.8 (LOW)
Estos niveles pertenecen a la familia TTL “Transistor-Transistor Logic”.
Las señales de voltaje pueden representar código binario (eg. BCD, ASCII), señales de control u otros.
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Transmisión en Serie y Paralelo Es necesaria la transmisión de señales con
números binarios de un sistema a otro. Existen dos formas de transmisión:
Paralela: cada bit es enviado simultáneamente por un circuitos separados y en líneas separadas.
Serie: cada bit es enviado separadamente por el mismo circuito y en la misma línea. Para la secuencia se utiliza un reloj que también indica cuando una señal termina y empieza la otra.
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Puertas Lógicas Las puertas (gates) lógicas son circuitos
digitales que tienen dos o mas entradas y produce una sola salida con un nivel lógico que depende del nivel de las entradas.
Las puertas lógicas son: Puerta AND: la salida será 1 si todas sus
entradas son 1. Expresión matemática X=AB.Puerta OR: la salida será 1 si por lo menos una
entrada es 1. Expresión matemática X=A+B.Puerta NOT: no es una puerta verdadera ya que
solo tiene una entrada. La salida es invertida a la entrada. Expresión matemática X=Ā.
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Puertas LógicasPuerta NAND: combinación de AND y NOT. La
salida es 0 cuando todas las entradas son 1 y la salida es 1 en las demás.
Puerta NOR: combinación de OR y NOT. La salida es 0 cuando por lo menos una entrada es 1 y la salida es 1 en las demás.
Puerta EX-OR: produce una salida de 1 cuando las dos estradas son diferentes. Siempre tiene dos entradas.
Puerta EX-NOR: produce una salida de 1 cuando las dos entradas son iguales. Siempre tiene dos entradas.
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Lógica de Tres Estados (TRI-STATE) El desarrollo de la organización bus en computadoras
llevo al desarrollo del circuito lógico de tres estados. Este equipo llamado TRI-STATE tiene una tercera
condición de salida llamada alta impedancia o estado Z alto. Las otras dos son la normal alta (HIGH) y la baja (LOW) de voltaje.
Cuando esta tercera entrada esta activada (enabled=1) este actúa como un circuito abierto impidiendo el paso de la señal.
Cuando esta tercera entrada esta desactivada (enabled=0) este actúa como un circuito cerrado permitiendo el paso de la señal.
Ejemplo de ellos son el 74HC125 y 74HC126 que trabajan de forma invertida.
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FLIP-FLOPS (FF) Los FF son utilizados como circuitos de
memoria. Las compuertas lógicas producen salidas
dependiendo del “estado actual” de las entradas.
Los FF producen una salida dependiendo del “estado previo” de las entradas.
Solo tiene dos tipos de salida 0 (LOW) ó 1 (HIGH) siempre una invertida a la otra.
Cuando una señal causa que el FF cambie de estado este se mantendrá en ese estado aunque la señal se termine.
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Circuito FF Básico Este circuito es construido utilizando dos puertas
NAND y se le da el nombre de SET/CLEAR FF (SC FF).
El SET se utiliza cuando queremos cambiar el estado actuar de la salida. Para ello esta entrada debe ser cero si utilizamos este tipo de FF.
El CLEAR también conocido como RESET se utiliza cuando queremos regresar la salida a su estado previo. Para ello esta entrada debe ser cero si utilizamos este tipo de FF.
Ambas entradas no deben ser cero simultáneamente ya que caerá en un estado llamado ambiguo o no definido. Si ambas entradas son uno la salida permanece igual.
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Señales de Reloj Muchos sistemas digitales operan como
sistemas sincrónicos secuénciales. Esto se logra con señales de un reloj maestro. Los sistemas pueden responder con cambios de
0 a 1(eje de subida “rising edge”) o de 1 a 0 (eje de caída “falling edge”).
El “clocked” FF responden al cambio adecuado pero no ha ambos.
La frecuencia de los pulsos del reloj es determinado por el tiempo que tarda el FF y los demás circuitos el responder al cambio. A esto se le llama retraso de propagación.
Una computadora puede tener una o mas señales de reloj.
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FLIP-FLOPS con Reloj Los “Clocked” FF tienen dos tipos de
entradas: entrada de reloj (CLK) y las entradas de control.
Existen varios tipos:Edge-Triggered D Flip-Flop
Un ejemplo es el 7474. Tiene una solo entrada D. El nivel lógico en D se transfiere a Q solo en el eje
positivo del reloj (0 a 1) en este Clocked FF. Existen otros Clocked FF que responden al eje
negativo (1 a 0).
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FLIP-FLOPS con RelojEdge-Triggered JK Flip-Flop
Es el tipo de FF mas versátil. Tiene dos entradas J y K. Responde al eje positivo del reloj. Veamos:
J = K = 0: cuando CLK es positivo no ocurre cambios en Q. J = 1, K = 0: produce Q = 1 cuando CLK es positivo. J = 0, K = 1: produce Q = 0 cuando CLK es positivo. J = K = 1: cuando CLK es positivo Q cambia de valor.
Otros Edge-Triggered JK Flip-Flop responden al eje negativo del reloj.
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FLIP-FLOPS con RelojD-Type Latch
Es parecido al Edge-Triggered D Flip-Flop pero este responde a una entrada alta (High) en el ENABLE (EN).
Mientras EN se alta (high) la salida Q seguirá los cambios de D.
Cuando EN es baja (low) la salida Q almacena (latch) su ultimo valor, y los cambios en D no tienen efecto.
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Entradas FF Sincrónicas y Asincrónicas Las entradas de control J, K y D son
señales sincrónicas ya que funcionan en conjunto con la señal de reloj.
Existen “clocked” FF que trabajan con señales de entrada asincrónicas.
Estas pueden ser usadas para cambiar (set) el FF al estado 1 o limpiar (clear) el FF al estado 0 a cualquier tiempo.
En la siguiente figura los cambios son mostrados en la tabla.
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Tiempos “SETUP” y “HOLD” Existen unos requerimientos de tiempo para que
los JK FF responda adecuadamente. Estos son:
Tiempo de cambio (setup time, ts): es el tiempo de la señal del reloj (CLK) que debe mantenerse antes de la transición activa y propiciar el cambio.
Tiempo de aguante (hold time, tH): es el tiempo de la señal del reloj (CLK) que debe mantenerse después de la transición activa y propiciar el cambio.
En ambos casos los manufactureros determinan la duración de ambos tiempos.
En circuitos IC FF estos valores son de 5 a 50 ns para ts y de 0 a 10 ns para tH.
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Registros FF Un registro es un grupo de equipos de
memoria usados para almacenar información binaria.
Ejemplo de ellos son el contador, registros “buffer” (almacenamiento) y los registros “shift” (cambio).
En cada uno de ellos existe una transferencia de información binaria. Los dos tipos son: Transferencia Paralela: en este se mueven los bits
al mismo tiempo. Para este se utiliza FF tipo D el cual pasa el contenido de X a su Y correspondiente cuando la señal del reloj es la correcta. En el caso de la siguiente figura es cuando eje de subida.
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Registros FFTransferencia Serial: en este se mueve los
bits uno a uno. Para este se utiliza FF tipo JK el cual pasa el contenido de X al siguiente J cuando la señal del reloj es la correcta. En el caso de la siguiente figura es cuando es eje de caída.
La transferencia serial requiere mas tiempo que la paralela ya que mueve un solo bit a la ves. Por otro lado la transferencia serial requiere menos interconexiones entre dos registros.
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Registros IC Los registros con FF individuales son
raramente usados. Existe una gran variedad de circuitos
integrados que hacen este trabajo.Data-Latching Register: registro de 4 bits que
tiene la misma función que el registro FF tipo D. Cuando el “Enable” esta en “high” la salida Q sigue
los cambios de nivel de la entrada D. Cuando el “Enable” esta en “low” la salida Q sigue el
ultimo nivel de la entrada D y no cambia ni siquiera si hay cambios en D.
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Registros ICEdge-Triggered Registers: registro de 4 bits que
tiene la misma función que el registro FF tipo D. En ves de tener un “Enable” este tiene un reloj el cual cuando pasa de cero a uno permite cambio en Q según sea D. En cualquier otro momento no ocurre cambio en Q.
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Registros de tres estados En las computadoras modernas la transferencia de datos
ocurre sobre líneas de conectividad en común llamado bus de datos (data bus).
Casi todo equipo conectado al bus contiene registros de tres estados para aguantar sus datos. Ejemplo de ellos es el TTL 74173 o su contraparte CMOS 74HC173.
En ambos las entradas IE controlan las entradas D3-D0 y las entradas OE controlan las salidas O3-O0 . La entrada MR lo que hace es limpiar asincrónicamente el contenido del registro sin importar el valor de las entradas IE y OE.
Cuando ambos IE = 0 este almacena los datos y cuando ambos IE = 1 este retiene los mismos valores. En ambos casos esto ocurre cuando el reloj esta es transición positiva.
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Bus de datos Como se dijo anteriormente los bus de
datos se utilizan para interconectar equipos y que estos puedan intercambiar datos.
Los circuitos de tres estados permiten que varios equipos puedan compartir un mismo bus de datos sin que estos puedan interferir entre si.
Esto lo logra no permitiendo que dos o mas equipos utilicen el mismo bus al mismo tiempo.
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Operación de transferencia de datos
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Señales del bus
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Expansión del bus El tamaño (cantidad de líneas) del bus depende
de talla de la data (Word, unidad de datos) que será transferido por el bus.
Si el tamaño del dato es de 8, 16, 32 ó 64 de ese mismo tamaño debe ser su bus.
El numero de equipos conectados al bus de datos varia de una computadora a otra. También depende en factores como cantidad de memoria y la cantidad de dispositivos (I/O) que deben de comunicarse al CPU por el bus de datos.
Todo equipo debe estar conectado a un circuito “tri-state” ya sea interno o externo como el “bus driver” 74HC541.
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Expansión del bus
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Representación simplificada del bus
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Bus de dos direcciones
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Decodificadores
Los decodificadores (decoders) se utilizan para que según la combinación en las entradas o código entonces sea elegida la correspondiente salida.
La cantidad de entradas (N bits) del decodificador determina la cantidad de combinaciones y salidas (2N) posibles del mismo.
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Codificadores (Encoders) Codificadores
Los codificadores (encoders) hacen todo lo contrario a los decodificadores.
Este genera un código de salida que corresponde a la entrada activada.
Codificadores de prioridadCuando dos o mas entradas se activan al
mismo tiempo el codificador de prioridad (priority encoders) determina cual de los códigos sale primero.
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Multiplexores Los multiplexores (multiplexers) o selector
de datos tiene como función el aceptar varias entradas pero solo permitir la salida de ellas de una en una.
Este utiliza unas entradas (S) como código para determinar cuales de las entradas (A y B) se le dará paso por la salida (Z).
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